第三章异步电动机

1、第三章 异步电动机31三相异步电动机的结构32异步电动机的转动原理33定子和转子电路34三相异步电动机的运行特性35三相异步电动机的起动36单相异步电动机31.三相异步电动机的结构本节的主要内容有两部分：基本结构： 主要了解点：防护结构；组成作用；冷却方式；名词解释。铭牌数据： 应掌握额定数据：功率、电压、电流、转速、功率因数、绝缘等级、温升、工作制、接法。铭牌一、基本结构防护结构：主要指机壳的结构形式，有开启式、防护式（防溅、滴）和封闭式三大类：船用电机主要是封闭式。具体参见P.252. “防护要求”和表16-1-5。冷却方式：自冷、自扇冷、他扇冷等方式。 两大部分：定子和转子。注意： 各部

2、分的组成作用。定子： 由铁心和绕组组成。 铁心：是由一片片的硅钢片加工成一定的形状，然后叠压成为铁心的。 绕组：有三相，称为三相对称交流绕组。绕组按照一定的尺寸绕制成形，并按照一定的规律嵌放在铁心槽中。组成(说明)电机解剖图定子铁心的组成铁心剖面图铁心中的槽与线圈导体铁心由硅纲片叠成定子绕组的组成绕组展开图定子铁心与线圈铁心与展开线电机的接线接线盒Y形连接形连接转子的组成转子：也是由铁心和绕组组成。 铁心：是由一片片的硅钢片加工成一定的形状，然后叠压成为铁心，并套在轴上。 绕组：异步机的转子绕组有绕线式绕组和鼠笼式转子两种。铁心绕线式绕组鼠笼式转子绕线式转子转子绕组与定子相似，通常三相绕组接成

3、Y形，有三个输出端。转子三相绕组展开图转子展开鼠笼式转子鼠笼绕组是特殊形式的多相绕组，每根导条为一相，两个端部都有短路环。 有导条式和铸铝式两种。鼠笼绕组转子展开鼠笼绕组展开图名词解释极距：异步机气隙存在磁场，磁场中相邻两个磁极之间的距离（槽数）。节距y ：一个线圈两个边之间距离（槽数）。每极每相槽数p ：在一个磁极距离的范围内，分配给每相的槽数。单、双层绕组：每槽内只有一个线圈边为单层绕组；有两个线圈边为双层绕组。电角度：电量所对应的角度。电角度e = pm（m机械角度）。二、铭牌及主要额定数据铭牌1.额定功率Pn ：轴上输出机械功率，单位kW；2.额定电压、电流：线电压、线电流；3.额定转

4、速： 转/分；4.额定功率因数；5.绝缘等级和温升；6.工作方式：连续、短时、重复短时(断续)；7.接法：星形、三角形。 注意：两种额定电压与接法分别对应。第一节要点：基本结构（组成，防护结构，冷却方式）；铭牌数据。 32.异步电动机的转动原理一、转动原理三相对称绕组通入三相对称交流电，产生圆形旋转磁场，切割转子绕组，使之感应电势并感生电流，电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩，使转子转动。 转子转速n 小于磁场转速n 0 ，所以“异步”。 二、旋转磁场（图示法）输入：三相对称交流绕组通入三相对称交流电。结论：三相对称交流绕组通入三相对称交流电，在气隙将产生圆形旋转磁场，转向从超前相转至滞后相

5、(AB C A)，转速n 0= 60 f / p，n 0 叫同步转速。旋转二、旋转磁场（图示法）输入：三相对称交流绕组通入三相对称交流电。结论：三相对称交流绕组通入三相对称交流电，在气隙将产生圆形旋转磁场，转向从超前相转至滞后相(AB C A)，转速n 0= 60 f / p，n 0 叫同步转速。完成二、旋转磁场（图示法）输入：三相对称交流绕组通入三相对称交流电。结论：三相对称交流绕组通入三相对称交流电，在气隙将产生圆形旋转磁场，转向从超前相转至滞后相(AB C A)，转速n 0= 60 f / p，n 0 叫同步转速。返回二、旋转磁场（解析法）注：解析法不要求掌握，只提供给大家参考。 三相电

6、流瞬时值如书上P.27式（3-2-1），产生三相磁势： fA= Fcos（x/） sint ； fB= Fcos（x/ 120 ） sin（t 120）； fC= Fcos（x/ 120 ） sin（t 120）。利用三角函数公式，可以分别分解为： fA=0.5Fsin（t x/）sin（t x/）； fB=0.5Fsin（t x/）sin（t x/120 ） ； fC=0.5Fsin（t x/）sin（t x/120 ） 。异步电动机气隙磁势F1为三相磁势的合成（矢量和）： F1= fA fB fC =1.5Fsin（t x/） = Fm sin（t x/）这是一个旋转磁势（在物理学中称为行

7、波），是时空函数，随着时间t 的变化，总可以在空间上找到一点，使sin（t x/）=1。磁场分析脉振磁场结论：三相对称交流绕组通入三相对称交流电，在气隙中将产生圆形旋转磁场。旋转磁场转向为从超前相到滞后相，转速n0= 60f1/p(转/分)，或：f1/p(转/秒)。 只有三相对称才能产生圆形旋转磁场。若三相不对称，则产生椭圆形旋转磁场。若是单相电流，产生的是脉振磁场。脉振磁场如下图所示。双旋转理论单相脉振磁场fA = Fsint cos(x/) = fAfA =0.5 Fsin(t - x/) + 0.5 Fsin(t + x/)是一个脉振磁场，两个分量幅值相同，转向相反，合成后空间位置 x

8、不变，但大小和方向随时间不断变化。式中：x 是空间(位置)坐标，原点在A-X的轴线上。开始脉振单相脉振磁场停止脉振fA = Fsint cos(x/) = fAfA =0.5 Fsin(t - x/) + 0.5 Fsin(t + x/)是一个脉振磁场，两个分量幅值相同，转向相反，合成后空间位置 x 不变，但大小和方向随时间不断变化。式中：x 是空间(位置)坐标，原点在A-X的轴线上。单相脉振磁场返回初态fA = Fsint cos(x/) = fAfA =0.5 Fsin(t - x/) + 0.5 Fsin(t + x/)是一个脉振磁场，两个分量幅值相同，转向相反，合成后空间位置 x 不变

9、，但大小和方向随时间不断变化。式中：x 是空间(位置)坐标，原点在A-X的轴线上。三、转差率定义式： 书P.29，式（3-2-3）。 s = (n0 - n) / n0 异步电动机工作在电动状态时，1s0 (nn0)。否则就不是电动状态。额定负载时的转差率sn ： sn = (n0 - nn) / n0 普通异步电动机额定负载时的转差率很小，一般不超过0.1，即：sn=0.010.09。只有特殊用途的异步电动机（如，起重等用的电动机）sn才比较大。n0=nn(1-sn)，将sn=0.010.09代入p=60f/nn(1-sn)，计算出两个最接近整数的p 值（注意必须取两个值），然后将这两个p

10、值代入n0=60f/p和sn=(n0-nn)/n0进行验证，取满足sn=0.010.09的值，即可求得n0和p 的确切数值。普通异步机极对数求解已知：nn ，求p。利用sn=0.010.09 求解第二节要点：转动原理（磁场、转）；旋转磁场(转向、大小)；转差率。 例如： 频率为50Hz，p= 的三相异步电动机，nn=275转/分。 A.8 B.9 C.10 D.11 (若p=3000/275=10.911，错！)解：p=60f(1-sn)/nn=3000(0.990.91)/275=10.89.9，极对数p可能取值为10 或11。验证：p=11时，n0=272.72，sn=-0.0010，不符

11、合要求，p=10时，n0=300，sn=0.08330.09，符合要求。答案：C 。33.定子和转子电路一、定子电路三相异步电动机定子是由三相对称交流绕组组成。三相绕组对称，只需分析一相。 异步电动机工作时，一相定子绕组与单相变压器原边绕组相似。定子绕组通入交流电流后，将在铁心产生磁通(三相合成为旋转磁通，但对定子的一相绕组而言，也是变化磁通)，同时与定子和转子绕组交链的磁通称为主磁通，只与定子交链的磁通称为漏磁通。主、漏磁通在定子上分别感应电动势的情况与变压器相似：E1=4.44k1f1N1，其中：k1是定子的绕组系数，定子绕组结构形式与变压器不同（短距、分布），是一个小于1 的系数。电压平

12、衡方程式与变压器完全相同： U1=（R1+jX1）I1E1=I1Z1 E1 但是，必须注意：由于异步电动机存在气隙，所以其励磁电流大于变压器励磁电流。P.35.+3行：I0=20%50% In。因此，异步电动机的漏磁通较大，漏抗及漏阻抗都比变压器大。 三相定子产生的主磁通是旋转的磁通，以同步转速n0= 60 f1 / p旋转的。平衡方程二、转子电路转子电量与频率： 主磁通以相对转速n = n 0 n = sn 0 切割转子绕组，转子电量的频率f2=pn/60=spn0 /60=sf1。转子频率f2是随转差率（或转速）变化的量。当电动机起动瞬时（n=0），f2=f1。因此转子感应的电动势及转子电

13、路的漏抗分别为： E2=4.44k2f2N2 和 X2=2f2L2 若用n=0时的转子电势E20和转子电路漏抗X20表示，则一般情况下，异步电动机转子电势和转子电路漏抗为： E2=4.44k2f2N2= sE20 和 X2=2f2L2 = sX20注意：书P. 43 习题（作业）3 4。 转子磁场相对定子的转速，应该先求其对转子的相对转速，然后求n21=n2+n。转子电流： I2= E2/（R22X22）1/2 = sE20 /（R22s2X202）1/2 = E20 / （R2 / s）2X202 1/2 此式中电量的频率都是f 1 。转子功率因数 ： cos2=R2/（R22X22）1/2

14、= R2 /（R22s2X202）1/2 。转子电流和功率因数等效电路异步电动机的等效电路不做要求电阻：R2 / s = R2 （R2 / s） R2 = R2 （1 s）R2 / s 由转子电流表达式I2 = E20 / （R2 / s）2X202 1/2可知：异步电动机转动后，转子电路比静止时多了电阻（1 s）R2 / s 。当s = 1，这个电阻 = 0 ，相当于转子电路处于短路状态；当s = 0，这个电阻 ，相当于转子电路处于开路状态。异步电动机转动后，转子电路比静止时多了这个电阻，其实这是电动机机械负载在转子一相电路中的等效。这个电阻消耗的功率等于异步机通过轴上输出的机械功率。 这就

15、是异步电动机的等效电路。三、定子电流与转子电流的关系异步电动机转动后，转子电路的等效电阻(1-s)R2/s 增加， I2减小。当s =1，(1-s)R2/s = 0 ，异步电动机起动，转子电路相当于处于短路状态，此时电流很大；随着n 的增加，I2不断减小，当s =sn=0.010.09 时，转子电阻相当大，I2减小到额定值。 和变压器相似，异步电动机的转子电流产生的磁势也具有去磁性质。磁势的平衡方程式如书P. 31 式（3-2-11）和式（3-2-12）。 当机械负载增加，转速降低，电阻R2/s 减小， I2增大，去磁作用增强， I1也随之增大。由式：cos2=R2/(R22s2X202)1/

16、2可知： 当s = 1 (n=0，即起动) 时，异步电动机的功率因数最低；额定运行时， sn=0.010.09，异步机功率因数相当高。当s = 0 时，虽然cos2 =1，但I 2 = 0，I1 =I0 ， cos1很低。第三节要点：电压平衡方程（电路）；磁势平衡方程；磁场转速 。 转子电流与功率因数34.三相异步电动机的运行特性本节的主要内容有三部分： 电磁转矩： 主要掌握：电磁转矩各种表达式和异步电动机能量关系。 机械特性： 机械特性是分析异步电动机工作的重要特性，应该能够根据特性等对异步电动机进行计算和定性分析。是本节的重点。 工作特性： 主要了解工作特性的种类（条数）及大致形状。一、电

17、磁转矩转矩等于功率除角速度：T=P/功率流图：功率流图又叫能流图（或能量流程图、功率流程图），说明的是功率或能量的传递过程。电磁转矩物理表达式：设，异步电动机转子有m2相绕组，由主磁通通过气隙传递给转子的电磁功率为：Pe=m2sE20I2cos2 = m2s(4.44k2f1N2)I2cos2 =T =s0T。电磁转矩物理表达式： T=KT I2 cos2注意：电磁功率还可以表示为： Pe=m2I22R2 / s ，所以Pcu2 = s Pe。说明：铁损在功率流图中只有PFe1一项，并不说明转子没有铁损。功率流图说明异步电动机的转子铁心也有铁损产生，但是这个损耗是由定子励磁电流提供的，能量还没

18、有传递到转子，就已经扣除这部分损耗了。因此在转子的能量中就不应该再扣除转子铁损。功率流图：二、机械特性机械特性是指转矩T 和转速 n 之间的关系，异步电动机的机械特性用Ts关系曲线表示。也就是说：异步电动机的机械特性是T和s之间的关系。机械特性上的关键点： 机械特性上的关键点主要有：起动点、临界点、额定工作点和理想空载转速点。 4点。这部分要求：记住书上各公式，能够求T、Tst和Tmax及转矩实用公式等。影响机械特性的因素影响机械特性因素主要有：电压、和转子电阻。电压：最大转矩大小变化，但临界转差率不变。 转子电阻：最大转矩不变，但临界转差率变化。 机械特性变化，起动转矩同时发生变化。三、工作

19、特性定义：工作特性是指在电压和频率都为额定时，转速、转差率、定子电流、定子功率因数、电磁转矩、效率等6个量随负载功率变化的特性。只有工作时负载功率才变化，称为工作特性。工作特性主要了解各条曲线形状及变化原因。尤其是效率、定子电流和定子功率因数 3 条。 要求知道：为什么效率在0.75Pn时最高，定子电流和功率因数在起动、空载、半载、额定负载等情况下的大小。异步电动机工作特性主要有：转速、转差率、定子电流、定子功率因数、电磁转矩和效率特性等6条（随P2变化而变化）。 条件是：电源电压U1、频率f 1保持恒定。 第四节要点 ：机械特性（曲线，点，影响，直线段）；电磁转矩（影响因素，典型转矩，公式）

20、。 工作特性曲线10KW电机的特性35.三相异步电动机的起动本节的主要内容有三部分： 起动性能： 主要掌握：对电动机的起动要求和异步电动机的起动性能。 起动方法： 主要掌握：异步电动机起动方法及其特点。是本节重点。 高起动转矩鼠笼式电动机： 主要掌握：高起动转矩鼠笼式异步电动机改善起动性能的原理。一、起动性能对电动机的起动要求： 生产设备对电动机起动的要求主要有3点：1. 起动电流小 ；2. 起动转矩大；3. 起动时间短。 异步电动机的起动性能 ：1. 起动电流大 ：是额定电流的 4 7 倍； 2. 起动转矩不大：仅为额定转矩的 1. 0 2.2 倍。 起动电流大容易造成对电网的冲击，影响其它

21、设备的正常运行；起动转矩不大，起动时不仅可能克服不了电动机的阻转矩（至少应为额定转矩 的1.1倍才能顺利起动），而且使起动时间增加，生产效率降低。结论：异步电动机起动性能有时不能满足生产设备要求。二、起动方法异步机起动方法有：1. 全压(直接)起动；2. 降压起动。为了提高异步机的起动转矩，在电源容量允许时鼠笼式通常采用全压起动。绕线式则不允许全压起动(注意其原因)。 降压起动：是在起动时降低异步电动机电源电压，等到电动机转速升高到一定值（或接近额定转速，此时电动机起动电流已大大减小）后，再将电源电压增加到额定电压。鼠笼式异步电动机降压起动方法主要有：1. 定子绕组串电阻或电抗器降压起动；2.

22、 Y-降压起动；3. 自耦变压器降压起动。 绕线式异步电动机起动方法主要有：1. 转子回路串电阻起动；2. 转子回路串频敏电阻起动。 不能全压起动的原因是转子为线绕式，抗击起动电流的冲击能力小。鼠笼式异步机串电阻或电抗降压起动方法：起动时将起动电阻或电抗串接在定子电路中，起动结束后将起动电阻或电抗切除。串电阻：起动时功率因数较大，但耗能也较大；串电抗：不耗能，但起动时功率因数低。 起动电流和转矩都降低。鼠笼式异步电动机Y-降压起动方法：起动时将定子绕组接成Y形，转速升高后再接成形。起动电流和转矩都降低为形时的1/3。 适用场合：1.正常工作时定子为形连接鼠笼式异步电动机 ；2.空载或轻载起动。

23、Y/ 连接起动线路鼠笼式异步电动机自耦变压器降压起动方法：起动时将定子绕组通过自耦变压器降压，转速升高后再直接接电源。 特点：起动电流和转矩都降低为全压起动时的1/k2。可选用不同变比适合不同场合。 适用：重载起动（比半载略重，比额定负载轻）。绕线式异步电动机的起动方法：转子绕组通过滑环和电刷引出电机，并与三相变阻器连接。起动时，变阻器的电阻最大，接通电源后逐渐减小三相变阻器电阻直至三相变阻器电阻为零，起动结束。 适用：带额定负载起动。三、高起动转矩鼠笼式异步电动机.集（趋）肤（表）效应：集肤效应又叫趋肤、集表、趋表效应，是指交流电流在导体中流动时，由于电抗的作用使电流往导体表面集中的现象。此

24、时相当于导体有效截面积减小，电阻增大。高转差率鼠笼式异步机：由于转子电阻增大，起动转矩增大。因此，如果鼠笼式异步电动机的鼠笼导体采用电阻率高的材料制造，将可以增大起动转矩。由绕线式异步机机械特性可知，转子电阻增大，额定运行时的转差率增大，因此这种电机称为高转差率异步电动机。 高转差率异步机转子电阻大，额定运行时转子的铜损增加，效率降低。 适用于起重机械。深槽式鼠笼异步机：双鼠笼异步机：深槽式鼠笼异步机的工作原理：如果将鼠笼转子制造成深槽式，在电动机起动时由于转子频率高，集肤效应明显，转子实际电阻较大，可得到较大的起动转矩；当起动结束后，由于转子频率很低，集肤效应不明显，转子实际电阻小，从而降低

25、正常运行时的转子铜损。 机械特性如图所示。双鼠笼异步机转子有两套鼠笼绕组，内笼电阻小，外笼电阻大，起动时外笼起主要作用使起动转矩大；正常工作时内笼起主要作用，可在一定程度上减少铜损。高起动转矩异步机特点与用途：高起动转矩鼠笼式异步机特点主要有： 1. 起动转矩大；2. 额定转差率大，铜损大。 不论是深槽式鼠笼异步机或是双鼠笼异步机，正常运行时转子的漏抗都比普通鼠笼式异步机转子漏抗大。因此，它们的临界转差率和额定转差率都比普通机大，额定运行时的铜损也相对较大，效率相对较低。高起动转矩鼠笼式异步机的用途主要是： 起重设备、要求起动转矩大的其它设备。船上：空压机、分油机、容积泵等电机。例：某船一台分

26、油机用异步机烧毁后用一台鼠笼异步机更换，通电起动时发现熔断器不到1分钟就熔断，维修人员检查不出故障，试问其原因可能是（ ）。 A. 电机绝缘低 B. 机械故障 C. 电机质量差 D.采用普通鼠笼电机第五节要点：起动性能，要求 ；方法：直接（条件），降压（方法、目的） ；特殊鼠笼式：（高转差率，深槽、双笼 原理） 。36单相异步电动机本节的主要内容有三部分：单相脉振磁场： 机械特性： 起动方法： 主要知道单相脉振磁场的特点。分析单相磁场作用下异步电动机的机械特性。掌握单相异步电动机的起动原理和方法。单相异步电动机的用途很广，主要用在小功率电气设备的动力拖动和家用电器等。单相脉振磁场.单相脉振磁场的特点： 1. 转子静止时，单相脉振磁场无驱动力矩，单相异步机不能自行起动，应采取其它方法才能起动。 2. 转子转动时，单相脉振磁场可产生一定的驱动力矩，保持转子继续旋转运行。 但产生的电磁转矩比较小，转差率较大，电机电流较大。 注意：运行中的三相异步电动机缺相运行很容易过热烧毁。机械特性.单相磁场（如前所述）可以分解为两个旋转磁场 双旋转理论， 机械特性如图所示，是合成的特性。fA=0.5Fsin（x/t）sin（x/t）的两项分别表示正反向磁场。结论：脉振磁场可分解为两个幅值大小相等、转向相反、转速相同的旋转磁场。 双旋转理论起动方法.起动方法：起动方法：必须使单相异